高效率纯相深蓝色Ruddlesden–Popper钙钛矿LED

       目前的深蓝光发光二极管LED主要是基于氮化铟镓(InGaN)材料，虽然其具有高效、明亮、稳定的特点，但是InGaN的成本比较昂贵。因此在LED领域，科研人员正在试图使用一种被称之为准二维Ruddlesden-Popper钙钛矿（2D-RPP）的材料作为InGaN的替代品。因其优异的光电性质——较长的电子-空穴扩散长度、高吸收系数、较低的深能级缺陷态密度等，非常适合作为LED材料。尽管近年来基于2D-RPP 的 LED在性能方面取得了很大的进步，但是想要将其用于深蓝光LED仍具有挑战性。

       因为传统的2D-RPP 薄膜制作工艺会在结晶过程中引起化学物质的空间分离。所以由此产生的混合钙钛矿的基态与激发态之间的带隙较小，不利于发射蓝光。如果想要实现基于2D-RPP的深蓝光LED，就需要能够在结晶过程中精确地控制2D-RPP 的相演化。

       为了解决这一问题，韩国延世大学和成均馆大学联合研究团队提出了一种快速结晶方法，该方法通过控制用于制造纯相准二维Ruddlesden-Popper钙钛矿（2D-RPP）的结晶动力学来操纵二维钙钛矿相演化，从而实现深蓝光发射钙钛矿LED。该成果以“Rapid crystallization-driven high-efficiency phase-pure deep-blue Ruddlesden–Popper perovskite light-emitting diodes”为题发表在Advanced Photonics上（DOI: 10.1117/1.AP.5.1.016001）。

图 通过热反溶剂浴制备的深蓝色发光钙钛矿 LED的扫描电子显微镜图像和数字照片（左）和瞬态吸收光谱（右）

       研究人员将旋涂前体溶剂的湿膜浸入乙醚热水浴中，由于乙醚对前体溶剂的快速萃取，可立即发生结晶。快速结晶动力学使得所有的化学物质随机分布在整个薄膜中，从而制造出纯相2D-RPP晶体。二维钙钛矿晶体的随机取向增强了电荷传输并提高了电荷迁移率，有利于提高器件性能，由此产生的深蓝光钙钛LED的最大外量子效率（EQE）为0.63%，与最先进的设备具有高度可比性。

       从稳态光致发光和超快瞬态吸收可以明显看出，通过热反溶剂浴快速结晶可以制成具有随机取向晶体的高纯相二维钙钛矿薄膜。二维钙钛矿晶体的随机取向增强了电荷传输并提高了电荷迁移率，有利于提高器件性能。经测试，利用这种钙钛矿薄膜制成的深蓝光钙钛矿LED的最大外量子效率为0.63%，发射波长集中在 437 nm。 通过观察未封装的 PeLED 的电致发光光谱，可以看出其具有优异的稳定性，可以媲美当前最先进的深蓝光LED。

       研究团队主要负责人、延世大学材料科学与工程系教授 Jooho Moon 表示，该工作为实现高性能和光谱稳定的深蓝色钙钛矿 LED 提供了一种新途径。他们的研究表明，控制结晶动力学是制备纯相 2D-RPP 的关键，展现出了巨大的应用潜力。